基于嵌入式实现SM1算法的系统设计

武汉三江航天网络通信有限公司研发部 王 振

引言

随着网络技术，特别是互联网技术在我国的迅速推过和普及，各种网络应用，如电子商务，电子政务，网上银行，网上证券交易等也在我国迅猛发展。但是网络非法入侵、诈骗等严重影响了网络信息安全。只有不断发展和提高网络信息安全技术，才能保证网络健康发展。在信息安全技术领域，公开密钥基础设施（PKI），很好的为互联网提供了安全服务。如今网络应用中的认证，数据的加解密，完整性验证，不可否认性等，已经离不开PKI技术的支持。目前通用的软件算法例如DES，3DES，RC4等在安全上无法得到保证，有些算法已经被破解。而SM1算法基于PKI技术，是一种基于硬件芯片的对称算法，并且是国家密码管理局明文指定的一种算法。要求在网络大数据量传输的过程中，主要是通过对称算法SM1来实现数据的加解密工作，保证网络信息安全交互，而非对称算法来实现身份认证和唯一性。

图1 系统总体图

图2 SM1芯片接口设计

图3 晶振时钟图

图4 软件设计图

1.系统总体设计

系统采用嵌入式系统，CPU采用三星公司S3C2440，操作系统采用嵌入式linux，64M SDRAM，128M NAND FLASH，SSX-E提供SM1算法。系统的总体设计如图1。

CPU：提供系统运行和计算以及和各个模块进行通信；

RAM：提供操作系统运行空间；

FLASH：提供boot启动程序，内核映像，文件系统；

ETHERNET：提供网络通信接口；

SM1：提供SM1算法接口；

UART：提供串口调试功能。

2.系统硬件接口，本文重点介绍SM1算法接口

系统CPU通过32为数据总线接口访问SSX-E芯片，为系统应用提供SM1算法。

SSX-E芯片：分组密码算法芯片，实现SM1密码算法。该分组密码算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特。具有ECB、CBC和OFB等多种运算模式，在32位数据总线宽度、ECB模式下运算速率可达到300Mbps以上，可满足各种条件下的应用需求。

主要的接口为：

HD[0:31]：32位数据总线；

HA[0:2]：地址总线；

/HCS：芯片片选信号；

/HRD：芯片读信号；

/HWR：芯片写信号。

根据SSX-E器件的要求，外部时钟使用50MHZ有源晶振作为芯片的主工作时钟，如图3所示。

3.系统软件设计

系统软件设计主要包括SM1算法的应用层API和内核层的驱动。应用层API实现系统应用调用SM1算法例如：ecb模式加密，ecb模式解密、cbc模式加密，cbc模式解密等。内核层的驱动：三星cpu通过32位数据总线，与SSX-E芯片交互数据。软件系统设计如图4所示。

3.1 bootloader设计

嵌入式系统中，bootloader是必须的。它是在操作系统内核运行之前的一小段程序，就像BIOS一样。这段程序可以初始化硬件设备，建立内存空间映射图，从而将软件的软硬件环境设置到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

3.2 内核编译选项

根据需要配置内核选项，主要包含：

（1）启动传递参数

（2）devfs文件系统支持

（3）芯片及系统类型配置

（4）DMA Engine support

（5）MMC/SD/SDIO card support

3.3 SM1设备系统驱动设计

Linux的内核是有设备管理、进程管理、内存管理和文件系统组成，linux设备驱动可以分为字符类设备、块类设备、网络接口类设备和其他非标准驱动。SM1设备被看做是字符型设备。

每个SPI外设都由1个总线号、1个设备号和1个功能号来标示，共有3个访问空间，即内存空间、I/O端口、和配置寄存器。每个设备功能都有一个配置空间，用于决定SPI的工作方式和映射到系统中的地址。相关函数：

3.4 SM1 API设计

由于SM1算法主要有：ecb模式加密，ecb模式解密、cbc模式加密，cbc模式解密等，API函数有：SM1_OpenDev，SM1_CloseDev，SM1_Initdev，SM1_LoadKeyIV，SM1_EcbEncrypt，SM1_EcbDecrypt，SM1_CbcEncrypt，SM1_CbcDecrypt。通过这些API函数可以对数据信息进行加解密，当黑客截获数据也无法破解，保证信息安全传递。

结论

本系统通过嵌入式系统实现了SM1算法接口，为后续应用系统做好了保障。已经成功应用在VPN系统以及CA中心。SM1算法效率高，速度快，破解难度大。随着信息安全的发展，国家密码管理局已经指定SM1算法作为对称加解密算法，而禁止使用软件算法，在今后的应用中会有更大的发展空间。

[1]公钥基础设施PKI与认证机构CA[M].北京:电子工业出版社,2002.

[2]嵌入式系统原理及接口技术[M].北京:清华大学出版社,2007.

[3]嵌入式设备驱动开发详解[M].北京:人民邮电出版社,2008.

[4]S3C2440A 32-BIT CMOS MICROCONTROLLER USER'S MANUAL,2004.